Расчет параметров ветровых волн для определения отметки бровки насыпи и мощности крепления откоса

Параметры ветровых волн определяют для двух расчетных случаев:

для назначения отметки бровки насыпи или верха крепления откоса, когда принимают условия подтопления насыпи при наибольшем расходе; при расчете конструкции крепления откоса, когда принимают условия подтопления насыпи при расчетном расходе.

Различные глубины воды на пойме реки при наибольшем и расчетном расходах, а также нормативные обеспеченности ветра и высоты волны в системе шторма для двух названных расчетных случаев определяют два значения высоты волны и ее периода.

Нормативные обеспеченности расходов воды, скорости ветра и расчетной волны в системе шторма даны соответственно в пп. 9.3 и 9.4 настоящего Свода правил.

В систему расчетов входят определение скоростей ветра, параметров волны для расчета высоты наката волны на откос, параметров волны для расчета мощности крепления. Все расчеты производятся в соответствии со СНиП 2.06.04-82*, ВСН 206-87 и РД 31.33.05 [20].

Пример расчета. Рассмотрим участок подходной насыпи к мостовому переходу железной дороги первой категории общей сети у г. Астрахани, работающего в условиях подтопления паводковыми водами р. Волги.

А. Определение расчетных скоростей ветра

Ветровой режим в рассматриваемом районе прогнозируется на основании материалов непрерывных в течение 25 лет срочных наблюдений на Астраханской гидрометобсерватории (ГМО), как репрезентативной для данного района. Астраханская ГМО расположена на местности типа В (п. 2.8 ВСН 206-87); измерения скорости ветра производились флюгером на высоте 11,6 м.

Пики половодья в районе, по данным многолетних гидрографов р. Волги, приходятся на два месяца: май и июнь, для периода которых и определяется расчетная скорость и направление ветра.

Статистические данные повторяемости в процентах градаций ветра по скоростям и направлениям средние за май и июнь месяцы приведены в таблице П.1.

Для каждого румба рассчитаны повторяемость ветра по градациям Р, % числа случаев наблюдений (из таблицы П.1), а также обеспеченности F, % (как последовательные суммы повторяемостей по градациям от больших скоростей ветра к меньшим). Результат приведен в таблице П.2. По обеспеченностям F, %, на клетчатке вероятностей строятся графики режимных функций ветра в рассматриваемом районе (рисунок П.1), для всех 8 румбов.

Таблица П.1

Градации скорости	Направления (румбы)								Всего
ветра, м/с	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	3	СЗ
0—1	1,7	0,9	1,25	1,75	1,55	1,55	1,5	1,8	12,0
2—5	6,75	7,2	8,55	8,7	5,8	6,8	8,0	7,7	59,5
6—9	2,15	2,9	4,05	3,45	2,25	1,8	2,4	2,5	21,5
10—13	0,3	0,8	1,1	1,45	0,35	0,35	0,65	0,75	5,75
14—17	0,08	0,15	0,2	0,3	0,085	0,035	0,15	0,135	1,135
18—20				0,03	0,015	0,015	0,015	0,035	0,11
21—26					0,015				0,015
Всего Р, %	10,98	11,95	15,15	15,68	10,065	10,55	12,715	12,92	100,01

Таблица П.2

в процентах

Скорость ветра, м/с	Направления (румбы)
	С		СВ		В			ЮВ			Ю			ЮЗ			3			СЗ
	Р	F	Р	F		Р	F		Р	F		Р	F		Р	F		Р	F		Р	F
21—26												0,15	0,15
18—20									0,19	0,19		0,15	0,30		0,14	0,14		0,12	0,12		0,27	0,27
14—17	0,73	0,73	1,25	1,25		1,32	1,32		1,91	2,10		0,85	1,15		0,33	0,47		1,18	1,30		1,04	1,37
10—13	2,73	3,46	6,70	7,95		7,26	8,58		9,25	11,35		3,48	4,63		3,32	3,79		5,11	6,41		5,80	7,11
6—9	19,58	23,04	24,27	32,22		26,4	35,32		22,00	33,35		22,35	26,98		17,06	20,84		18,87	25,28		19,36	26,47
2—5	61,48	84,52	60,25	92,47		56,43	91,75		55.49	88,84		57,62	84,60		64,46	85,30		62,92	88,20		59,60	86,07
0—1	15,48	100,0	7,53	100,0		8,25	100,0		11,16	100,0		15,40	100,0		14,7	100,0		11,8	100,0		13,93	100,0

Рисунок П.1 — Режимные функции скорости ветра (ГМО г. Астрахань)

Расчетные скорости ветра в соответствии с пп. 9.3 и 9.4 приняты повторяемостей: при определении отметки бровки насыпи 1 раз в 2 года (обеспеченность 50 %) и при расчетах мощности крепления 1 раз в 25 лет (обеспеченность 4 %).

Для каждого румба применительно к использованным данным статистического ряда наблюденных скоростей ветра определяется обеспеченность ветра повторяющегося один раз в нормативные n_t лет по формуле (1) ВСН 206-87

, (П.1)

где t — непрерывная продолжительность действия ветра (при отсутствии данных принимается равной 6 ч);

N — число дней срочных наблюдений в году за паводковый период, в данном примере май—июнь N = 61 день;

n_t — нормативное число лет повторяемости ветра, в данном примере =2 года и =25 лет;

Р_V— повторяемость направления ветра в долях единицы от суммы повторяемостей всех направлений (берется из последней строчки таблицы П.1). Вычисленные значения обеспеченностей в процентах F₂ и F₂₅ и соответственно им снятые с графиков режимных функций (рисунок П.1) расчетные скорости ветра V_50% и V_4% приведены в таблице П. 3.

Таблица П.3

Показатели	Направление ветра (румбы)
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	3	СЗ
F2(50 %), %	1,87	1,72	1,35	1,31	2,04	1,44	1,61	1,59
F25 (4 %), %	0,15	0,14	0,11	0,10	0,16	0,16	0,13	0,13
V4% , м/с	17,0	18,0	18,5	14,0	19,0	17,0	19,5	19,0
V50% , м/с	12,5	13,5	14,5	15,0	13,0	11,5	13,5	14,0

Скорость ветра V_w, прогнозируемую по данным материковой гидрометеостанции V_lz, следует привести к условиям водной поверхности на высоте Z = 10 м по формуле (149) СНиП 2.06.04-82*:

V_w = k_z k_fl k_l V_lz, (П.2)

где V_l = V_lz, k_z - скорость на высоте z = 10 м на материковой ГМО;

k_z - коэффициент приведения скорости ветра к значению на высоте 10 м, принимаемый при z = 5 м — 1,1; z = 10 м — 1,0; при z = 20 м — более 0,9, в данном примере z = 11,6 м — 0,98;

k_fl - коэффициент пересчета скорости, измеренной флюгером (но не более 1).

здесь k_l — коэффициент приведения скорости ветра, измеренной на материковой ГМО, к условиям водной поверхности протяженностью L, км, в зависимости от типа местности А, В и С по СНиП 2.01.07-85; при длине водоема менее 20 км следует пользоваться графиком рисунка 2 СНиП 2.01.07-85, ВСН 206-87.

Расчеты скоростей ветра над водной поверхностью по 8 румбам для повторяемости 1 раз в 2 года (обеспеченность 50 % для назначения отметки бровки насыпи) и 1 раз в 25 лет (обеспеченность 4 % для расчета мощности крепления) приведены в таблицах П.4 и П.5.

Таблица П.4

Наименование расчетных величин	Значения расчетных величин
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	3	СЗ
Vlz, м/с	12,5	13,5	14,5	15,0	13,0	11,5	13,5	14,0
kfl	1,0	1,0	0,99	0,98	1,0	1,0	1,0	1,0
kfl Vlz, м/с	12,0	13,2	14,1	14,4	12,7	11,3	13,2	13,7
L, км	—	1,2	1,2	1,2	—	3,2	3,2	3,2
kl	—	1,06	1,06	1,06	—	1,14	1,13	1,129
Vw50%, м/с	—	14,0	15,0	15,3	—	12,9	15,0	15,5

Таблица П.5

Наименование расчетных величин	Значения расчетных величин
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	3	СЗ
Vlz, м/с	17,0	18,0	18,5	19,0	19,0	17,0	19,5	19,0
kfl	0,945	0,931	0,924	0,917	0,917	0,944	0,911	0,917
kfl Vlz, м/с	15,8	16,4	16,7	17,1	17,1	15,8	17,4	17,1
L, км	—	1,2	1,2	1,2	—	3,2	3,2	3,2
kl	—	1,055	1,055	1,055	—	1,12	1,12	1,12
Vw4%, м/с	—	17,3	17,6	18,0	—	17,7	19,5	19,2

Б. Определение параметров волн и высоты наката для назначения отметки бровки насыпи

Исходя из топографии района подтопления и азимута оси насыпи a = 187° установлено, что наибольшие длины разгонов волн, подходящих практически фронтально к оси насыпи со стороны р. Волги (западное направление) и со стороны ее поймы (восточное направление), составляют соответственно 3200 м и 1200 м.

По этим направлениям прогнозируемые скорости ветра практически будут наибольшими (см. таблицу П.3), т.е. направления являются волноопасными и для них определяются расчетные параметры волн.

В случаях сложной конфигурации береговой линии волноопасное направление определяется

по результатам расчета высоты волны с использованием спектрального метода, а при отклонении главного луча волны от нормали к оси насыпи более 20°, должна учитываться рефракция волны в соответствии с пп. 14—17 приложения 1 СНиП 2.06.04-82*

Бровка насыпи назначается исходя из уровня на пике паводка повторяемостью 1 раз в 300 лет (обеспеченность 0,33 %) и высота наката на этот откос при шторме повторяемостью 1 раз в 2 года (обеспеченность 50 %).

Для одной из характерных точек трассы железной дороги (а их на проектируемом участке может быть несколько) по волноопасному направлению «запад» на луче протяженностью L=3200 м средняя глубина воды на акватории определена с плана с горизонталями в масштабе 1:25000, значением d_сp = 3,45 м, а по волноопасному направлению «восток» на луче протяженностью L = 1200 — d_сp = 2,30м.

При сложном рельефе дна на акватории должно учитываться изменение глубины воды по лучу волны (п. 3.5 ВСН 206-87), или в итоге расчетная высота волны, как правило, будет меньше.

При расчетном ветре западного направления V_50% = 15 м/с и восточного V_50% = 15 м/с определяются относительные характеристики разгона волны и средней глубины воды . По ним с графика рисунка 1, приложение 1, СНиП 2.06.04-82* снимаются относительные характеристики параметров волны: средней высоты — и периода , по которым определяются средняя высота волны h, ее период Т и длина l.

Высота наката волны на откос рассчитывается по волне h_1% обеспеченностью 1 % (в системе шторма).

; (П.4)

. (П.5)

Результаты расчетов приведены в таблице П.6.

У основания откоса насыпи глубина воды d = 1,45 м и волна, выходя на мелководную зону, трансформируется. Ее высота h_i определяется по п. 17, формуле (153) и графику рисунка 5 приложения 1 СНиП 2.06.04-82*:

, (п.6)

где k_t, k_r, k_l — коэффициенты соответственно трансформации, рефракции и потерь;

k_i, h_d — высота волны до трансформации.

Коэффициент трансформации определяется в функции от . При угле подхода луча волны к откосу a = 7° рефракция волны не возникает и k_r = 1, а при уклонах дна более 0,03 потери отсутствуют (k_l = 1).

Волна начинает разрушаться с глубины меньшей критической d_cr, определяемой в функции и при глубине у откоса d = 1,45 м > d_cr разрушается и переходит в накат непосредственно на откосе. Расчет параметров волны для определения высоты наката дан в таблице П.7.

Высоту наката волны h_run1% (обеспеченность по накату 1 %) на откос заложением т фронтально подходящей волны h_1% определяют по формуле (25), графику рисунка 10 и таблицам 6—9 п. 1.14 СНиП 2.06.04-82*.

h_run1% = k_r k_p k_sp k_run h_1% , (П.7)

где k_r и k_p — коэффициенты шероховатости и проницаемости защитного покрытия;

k_sp — коэффициент, зависящий от скорости ветра и заложения откоса;

k_run — коэффициент, зависящий от пологости волны l/h и заложения откоса т. При угле a луча волны к нормали оси насыпи высота наката уменьшается на коэффициент k_a.

В нашем примере для откоса заложением т = 2 в предположении укрепления его железобетонными плитами и угле a = 7° результаты расчета высоты наката волны на откосы насыпи с западного и восточного направлений сведены в таблицу П. 8.

Таблица П.6

Волноопасное направление					, м	Т, с	h1% , м	l, м
Запад	140	0,15	0,016	1,47	0,36	2,25	0,75	7,9
Восток	52	0,10	0,011	1,19	0,26	1,82	0,54	5,2

Таблица П.7

Волноопасное направление		Т, с	l, м	d, м	d/l	kt	hт1% , м			dcr, м
Запад	0,75	2,25	7,9	1,45	0,18	0,91	0,68	0,014	0,10	0,79
Восток	0,54	1,82	5,2	1,45	0,28	0,95	0,51	0,016	0,11	0,57

Таблица П.8

Волноопасное направление	hТ1% , м	l, м	kr	kp	ksp	krun	hrun1% , м	ka	hrun1% , м
Запад	0,68	7,9	1	0,9	1,25	2,0	1,53	0,985	1,51
Восток	0,51	5,2	1	0,9	1,25	1,85	1,06	0,985	1,05

Таким образом бровка земляного полотна должна возвышаться над уровнем воды, Соответствующем паводковому расходу повторяемостью один раз в 300 лет на величину наката h_run = 1,51 м с запасом а = 0,5 м.

Бровка насыпи также должна быть поднята на высоту нагона и подпора (у мостовых переходов), если эти явления прогнозируются в районе проектируемого объекта.

В. Определение параметров волны для расчета мощности крепления

Обычно расчеты проводятся для тех же характерных точек трассы насыпи и принимаются за расчетные те же волноопасные направления, что и в случае расчетов, проводимых для назначения бровки насыпи.

При расчете мощности креплений откоса за исходные принимаются расчетный расход повторяемостью один раз в 100 лет (обеспеченность— 1 %) и шторм повторяемостью один раз в 25 лет (обеспеченность — 4 %).

В системе шторма расчетной принимается волна обеспеченностью 5 %. Уровень воды при расчетном расходе в нашем примере на 0,4 м ниже уровня наибольшего расхода. Уменьшатся соответственно средние глубины и длины разгонов по западному волноопасному направлению до значений d = 3,05 м и L = 2900 м и восточному— d = 1,90 м и L = 900 м.

Расчетные скорости ветра обеспеченностью 4 % для западного направления V_4% = 19,5 м/с и восточного V_4% ⁼ 17,6 м/с взяты из таблицы П.5.

Относительные характеристики разгона волны, глубины воды, соответствующие им, приведены на графике рисунка 1 приложения 1 СНиП 2.06.04-82*, относительные характеристики параметров волны и соответственно параметры волны приведены в таблице П.9, при этом h_5% = 1,76h.

Полученные параметры волн могут быть откорректированы в связи с трансформацией волны аналогично методу, изложенному при расчете наката волны на откос.

Таблица П.9

Волноопасное направление					, м	Т, с	h5% , м	l, м
Запад	74,8	0,08	0,011	1,15	0,43	2,29	0,75	8,2
Восток	28,5	0,06	0,0078	0,92	0,25	1,65	0,44	4,25

Г. Назначение конструкций укрепления откоса

Полученные в пунктах Б и В параметры волн служат основой для расчета и назначения типа и мощности защитной конструкции.

Высота насыпи в случае определения ее только гидравлическими условиями не должна быть менее

H = h_0,33% + h_run1% + a, (П.8)

где h — глубина воды у основания откоса насыпи при уровне наибольшего паводка обеспеченностью 0,33 %;

h_run1% — высота наката волны на откос;

а — запас 0,25—0,5 м.

При соответствующих условиях высоту насыпи следует поднимать, учитывая нагон и подпор воды. В данном примере высота насыпи Н = 1,45+1,51 + 0,5 = 3,46 м.

Укрепление откоса заложением т = 2 выполняют от его основания до бровки насыпи на всей его длине м конструкциями, рассчитанными на высоту волны с западной стороны h = 0,75 м и восточной h = 0,44 м. Покрытие, выполненное по этим параметрам волн, называется основным.

В случае больших глубин у откоса и волновых воздействий, когда высота наката h_run1% возрастает, в соответствии с указаниями ВСН 206-87 целесообразно мощность и тип конструкций дифференцировать по длине откоса, назначая в зоне разрушения волны основное крепление, а выше по откосу в зоне наката крепление облегченное. Верхняя граница основного крепления при этом принимается на отметке

Ñ_осн = Ñ_0,33% +0,68 h_run1% (П.9)

где Ñ — отметка уровня воды на пике наибольшего паводка обеспеченностью 0,33 % (с учетом нагона и подпора). Облегченное крепление рассчитывается на скорость потока в зоне наката, образовавшегося после разрушения волны. Скорость может быть определена формулой

, (П.10)

где h_5% - высота расчетной волны в зоне разрушения;

Тип и мощность креплений определяют по материалам типовых проектов, приведенных в Альбомах [16, 22].

В данном примере защита откоса насыпи основным креплением с западного волноопасного направления при h_5% = 0,75 м может быть выполнена каменной наброской с d_cp = 0,25 м и толщиной t = 3 d_cp = 0,75 м (листы 10—13, Альбом [16]), бетонными плитами 1х1х0,16 м (лист 14, Альбом [16]), железобетонными плитами с открытыми швами 2,5х3,0х0,15 м (лист 16—19, Альбом [16]), железобетонными плитами 2,5х3,0х0,10 м, омоноличенными по контуру (листы 20—38, Альбом [16]) и монолитными железобетонными плитами толщиной 0,15 м.

С восточного волноопасного направления при h_5% = 0,44 м крепление может быть выполнено каменной наброской с d_cp = 0,14 м толщиной t = 0,42 м и бетонными плитами 1х1х0,16 м.

В том случае, когда значения расчетной высоты волны на проектируемом объекте ниже нормативной типового проекта обратный песчано-гравийный фильтр и щебеночную подготовку под покрытием возможно заменять геотекстилем в соответствии с указаниями ВСН 205-87, ТУ ЦП4591 [19] и Рекомендациями [23].

ПРИЛОЖЕНИЕ Р